Analyse de la technologie d'emballage de PCB en céramique
L'emballage en céramique est une méthode permettant d'enfermer des composants électroniques dans un substrat en céramique. Ce type d'emballage offre une résistance supérieure à la chaleur, résistance à l'humidité, résistance à la corrosion, et immunité aux interférences électromagnétiques. Il contribue également à réduire le bruit électrique et thermique à l'intérieur de l'emballage., ce qui le rend idéal pour les appareils électroniques hautes performances tels que les amplificateurs de puissance haute fréquence, émetteurs-récepteurs de données à grande vitesse, et amplificateurs à faible bruit.
Avantages de l'emballage en céramique:
Haute résistance à la chaleur: Les matériaux céramiques ont généralement des points de fusion élevés et peuvent résister à des températures élevées.. Cela permet aux emballages en céramique de fonctionner de manière fiable dans des environnements à haute température sans dégradation des performances..
Excellente résistance à l'humidité: Avec de fortes caractéristiques d'étanchéité et de résistance à l'humidité, les matériaux céramiques sont bien adaptés à une utilisation dans des conditions humides. Leurs performances restent stables malgré les fluctuations d’humidité.
Résistance exceptionnelle à la corrosion: Les matériaux céramiques sont très résistants à la plupart des produits chimiques, y compris les acides, socles, sels, et solvants organiques. Cela les rend adaptés à une utilisation dans des environnements chimiques difficiles sans risque de défaillance induite par la corrosion..
Interférence électromagnétique supérieure (EMI) Blindage: Les céramiques offrent d'excellentes propriétés de blindage EMI, minimiser l’impact des interférences électromagnétiques externes. Cela permet un fonctionnement stable dans les applications haute fréquence sans perte de performances due aux EMI.
Présentation du processus d'emballage des PCB en céramique
1. Étape de préparation des copeaux
Découpage de plaquettes:
Utilisation d'une technologie de découpe laser de précision, la plaquette est segmentée en puces individuelles avec une précision au micron, garantissant des dimensions précises des puces pour répondre aux exigences d'assemblage des substrats céramiques.Nettoyage des copeaux:
Nettoyage chimique en plusieurs étapes, y compris dégraissage avec des solvants organiques et rinçage à l'eau déminéralisée, élimine les résidus de coupe pour éviter une mauvaise soudure ou une panne électrique.
2. Fabrication de substrats en céramique
Formation de substrat:
Coulée de bande: Boue de céramique (Par exemple, alumine, nitrure d'aluminium) est moulé en feuilles minces, avec tolérance d'épaisseur contrôlée à ± 5 μm, adapté à la production en grand volume.
Pressage à sec: Combiné avec un pressage isostatique, ce procédé permet la fabrication de substrats de forme complexe avec une uniformité de densité améliorée.
Métallisation:
Cuivre lié directement (DBC): À des températures élevées, le brasage actif crée un lien fort entre les couches de céramique et de cuivre, atteindre des épaisseurs de cuivre supérieures à 300 μm.
Cuivre plaqué directement (DPC): Le cuivre est électrolytique après motif photolithographique, permettant le routage multicouche et via le remplissage, avec une largeur/espacement de ligne jusqu'à 10 μm.
Forage au laser:
La technologie laser avancée forme des microvias (diamètre <0.06MM) avec parois lisses (rugosité <0.3µm), permettant des interconnexions haute densité.
3. Intégration puce-substrat
Attachement de matrice:
Les adhésifs à haute conductivité thermique tels que la pâte d'argent sont distribués avec un équipement de précision pour monter les puces sur des zones désignées du substrat.. Le faible retrait après durcissement minimise le stress thermique.Soudure:
Pour les appareils haute puissance, le brasage par refusion ou le soudage par ultrasons est utilisé pour former des liaisons métallurgiques, assurant à la fois la conductivité électrique et la stabilité mécanique.
4. Liaison de fils et emballage
Techniques de liaison:
Liaison de fils d'or/cuivre: La compression thermique ou l'énergie ultrasonique est utilisée pour connecter les fils de liaison entre les pastilles de puce et le substrat.. Les liaisons doivent supporter des cycles thermiques et des vibrations mécaniques.
Liaison à puce retournée (FC): La puce est retournée et directement interconnectée avec le substrat, éliminant les fils de liaison et minimisant les effets parasites — idéal pour les applications haute fréquence.
Encapsulation:
Étanchéité hermétique: Soudage parallèle ou scellement de frittes de verre (Par exemple, Systèmes PbO-B₂O₃-ZnO) est réalisé à ~450°C, atteindre des taux de fuite inférieurs à 1×10⁻⁸ Pa·m³/s.
Moulage de plastique: Pour applications non hermétiques, une encapsulation en résine époxy ou en silicone est utilisée pour améliorer la durabilité environnementale.
5. Post-traitement et tests
Tests électriques:
Intégrité du signal, correspondance d'impédance, et performances haute fréquence (10Transmission –20 GHz) sont vérifiés à l'aide d'outils tels que des analyseurs de réseau et des oscilloscopes.Tests de fiabilité:
Cyclisme Thermique: Simule les variations de température de -65°C à +250°C pour évaluer la fiabilité de la liaison substrat-puce.
Tests de chocs mécaniques: Évalue la résistance aux vibrations pour garantir la stabilité opérationnelle dans l’aérospatiale et d’autres environnements exigeants.
Technologies de processus clés dans l'emballage de circuits imprimés en céramique
1. Traitement laser de précision
Les technologies de perçage et de découpe au laser atteignent une précision au micron, permettant un routage haute densité (largeur/espacement des lignes jusqu'à 10 μm) et interconnexion 3D (couche intermédiaire via un diamètre aussi petit que 50 μm).
2. Métallisation et configuration de circuits
Processus DBC et DPC, combiné avec la photolithographie, créer des modèles de circuits haute résolution. Les substrats en nitrure d'aluminium offrent une conductivité thermique de 180 à 230 W/m·K et un coefficient de dilatation thermique (ETC ≈ 4,5 ppm/°C), puces de silicium étroitement assorties.
3. Technologie de co-cuisson multicouche
LTCC (Céramique cocuite à basse température):
Cuisson à ~850°C, intègre plusieurs couches de céramique et traces métalliques, permettant l'intégration de composants passifs. Idéal pour les antennes à ondes millimétriques 5G.HTCC (Céramique cocuite à haute température):
Cuisson à ~1600°C, offre une haute résistance mécanique (≥400MPa en flexion trois points) pour modules de puissance pour l'aérospatiale.
Applications de l'emballage de circuits imprimés en céramique
Électronique automobile
Unités de commande du moteur, Systèmes de sécurité (ABS, ESP):
Conçu pour résister à des températures élevées, humidité, et vibration.Systèmes de gestion de batterie:
Les substrats céramiques optimisent la conduction du courant et la dissipation thermique, améliorer la sécurité des véhicules électriques.
Télécommunications
5Antennes de station de base G et modules RF:
Une faible perte diélectrique garantit l'intégrité du signal.Appareils de communication par satellite:
Excellente résistance aux radiations qui s'adapte à l'environnement spatial difficile.
Aéronautique et Défense
Systèmes de guidage de missiles, Modules émetteurs-récepteurs radar:
Les substrats en nitrure d'aluminium supportent des températures extrêmes et des chocs mécaniques.Électronique militaire:
La résistance à la corrosion garantit un fonctionnement fiable dans des conditions de champ de bataille.
LED et électronique haute puissance
Éclairage LED haute puissance:
La conductivité thermique améliorée améliore l'efficacité lumineuse de plus de 30% et prolonge la durée de vie.Refroidisseurs de semi-conducteurs et radiateurs électroniques:
La capacité de courant élevée prend en charge un fonctionnement soutenu à haute puissance.
Modules de puissance à semi-conducteurs
IGBT et substrats MOSFET:
Nitrure de silicium (Si₃N₄) substrats à très haute résistance à la flexion (>800 MPa) sont bien adaptés aux applications haute tension.
Conclusion
En résumé, Le boîtier en céramique pour PCB est devenu une technologie vitale pour les applications électroniques haut de gamme en raison de ses excellentes performances thermiques., isolation électrique, et résistance aux températures élevées et à la corrosion. Comme des industries comme les communications 5G, électronique de puissance, et les véhicules électriques continuent d'évoluer, la demande d’emballages en céramique devrait croître rapidement. Il jouera un rôle de plus en plus important dans l’amélioration des performances des appareils et de la fiabilité globale du système..
